Hoofdstuk 1

Cursus Chemie
Hoofdstuk 1 : De atoombouw en het Periodiek Systeem
1. SAMENSTELLING VAN HET ATOOM
Een atoom bestaat uit: een positief geladen kern, opgebouwd uit protonen en neutronen
en (een of meer) negatief geladen elektronen die rond de kern bewegen.
De positieve lading van een proton is even groot als de negatieve lading
van een elektron,
namelijk +/- 1,6.10-19Coulomb.
Het aantal protonen (+ deeltjes in de kern) = aantal elektronen (- deeltjes
rond de kern)
Helium atoom = kern met 2 protonen en 2 neutronen met eromheen draaiend 2 elektronen
Lithium atoom = kern met 3 protonen en 4 neutronen met eromheen draaiend 3 elektronen
Het ATOOMNUMMER (Z) van een element =
zowel het rangnummer van het element in het periodiek systeem
als het aantal protonen in de kern
als het aantal elektronen rond de kern
De ATOOMMASSA (A) geeft de massa aan van het atoom.
Aangezien de elektronen een verwaarloosbare massa hebben is de atoommassa dus de som van de
kerndeeltjes (protonen + neutronen)
Bijvoorbeeld:
Helium heeft atoomnummer 2.
Dit betekent dus dat He 2 elektronen rond de kern heeft.
Dit betekent dus dat He 2 protonen in de kern heeft.
De atoommassa van He = 4,00
Dit betekent dat de kern 4 deeltjes bevat.
Aangezien het atoomnummer reeds aangeeft dat er 2 protonen in de kern zitten, moeten er ook nog 4-2 =
2 neutronen zijn.
Dus: het aantal NEUTRONEN in de kern N = A-Z
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ing. Sc. Frank Lakiere
2005-2010
1-1
Cursus Chemie
De voorstelling van een atoom:
Teneinde deze gegevens per atoom weer te geven gaat men als volgt te werk: Voor het symbool van het
element noteert men bovenaan de atoommassa en onderaan het atoomnummer.
bv. voor Helium wordt dit dan
en voor Titanium
2. ISOTOPEN
Een welbepaald element heeft een welbepaald aantal protonen in de kern.
Dit is voor ieder element onveranderlijk.
Maar het aantal neutronen kan wel verschillen.
DUS de atomen van een bepaald element hebben altijd hetzelfde atoomnummer hebben, maar de
atoommassa, die de som is van het aantal protonen en neutronen, kan wel verschillen.
Atomen met een gelijk atoomnummer en met verschillende atoommassa
worden ISOTOPEN genoemd.
Isotopen zijn chemisch identiek, maar fysisch verschillend.
Isotopen komen in de natuur steeds in dezelfde verhouding voor.
Voorbeelden:
Helium komt voor onder de vorm van 2 isotopen: He met massa 3 (2 protonen + 1 neutron) en Helium met
massa 4 (2p + 2n).
Van zuurstof bestaan er 3 isotopen: de atoommassa's zijn 16, 17 en 18 en de respectievelijke percentages
zijn 99,756% - 0,039% en 0,205%
In de tabellen wordt de relatieve atoommassa weergegeven: dit is de gemiddelde waarde van de
atoommassa zoals het element met zijn isotopen in de natuur voorkomt.
Meestal wordt in de chemie gewerkt met afgeronde waarden voor de atoommassa.
Bv:
waterstof H heeft A=1 , koolstof C heeft A=12, stikstof N heeft A=14, zuurstof O heeft A=16,
chloor Cl heeft A=35,5 , enz...
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ing. Sc. Frank Lakiere
2005-2010
1-2
Cursus Chemie
3. STRUKTUUR VAN DE ELEKTRONENWOLK ROND DE ATOOMKERN
3.1. De hoofdenergieniveau's
De elektronen rond de kern kunnen in 7 energieniveaus voorkomen.
Deze niveaus worden ook wel schillen genoemd.
Deze schillen of energieniveaus worden aangegeven met de letters K,L,M,N,O,P en Q.
Aan ieder niveau wordt ook een getal toegekend: K = 1, L= 2, ...
Men noemt dit getal het hoofdquantumgetal n.
Iedere schil kan een beperkt aantal elektronen bevatten. Het maximale aantal per schil (voor K,L,M en N)
wordt gegeven door de formule:
max. aantal = 2.n2
Dus:
voor de
voor de
voor de
voor de
K-schil geldt n = 1 en dus max. aantal e- = 2.12 = 2
L-schil geldt n = 2 en dus max. aantal e- = 2.22 = 8
M-schil geldt n = 3 en dus max. aantal e- = 2.32 = 18
N-schil geldt n = 4 en dus max. aantal e- = 2.42 = 32
Opmerking:
de hogere schillen O,P en Q hebben dan weer een max. aantal e- van resp. 32, 18 en 8
3.2. Subniveaus en orbitalen
Binnen de schillen kunnen de elektronen nog kleine energieverschillen vertonen. Het hoofdenergieniveau
kan dus nog opgesplitst worden in subnibeaus.
Er bestaan 4 types: s,p,d en f-subniveaus.
Zoals bij de hoofdniveaus is hier ook het max. aantal elektronen weer beperkt per subniveau.
Een s-subniveau kan max. 2 e- bevatten
Een p-subniveau kan max. 6 e- bevatten
Een d-subniveau kan max. 10 e- bevatten
Een f-subniveau kan max. 14 e- bevatten
Een ORBITAAL is de ruimtelijke voorstelling van het gebied waar de waarschijnlijkheid om een elektron aan
te treffen het grootst is.
De vorm van een s-orbitaal is een BOL, waarin 2 elektronen kunnen ronzwerven.
Een p-orbitaal ziet eruit als 3 zandlopers langs de x,y en z as van een assenstelsel gelegen zijn. Men duidt
die aan met px,py en pz. En elk van die 3 "zandlopers" bevat 2 elektronen.
De d- en f-subniveaus hebben nog veel ingewikkelder strukturen met resp. 5 en 7 mogelijke orbitalen.
Ruimtelijke voorstelling van s- en p-orbitaal en van een pz orbitaal.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ing. Sc. Frank Lakiere
2005-2010
1-3
Cursus Chemie
3.3. De elektronenspin
Binnen de orbitalen zijn er dus steeds strukturen waarin de elektronen per 2 aanwezig zijn.
Maar deze e- zijn niet identiek. Ze verschillen door hun draaibeweging: het ene elektron draait in wijzerzin,
het andere in tegenwijzerzin.
Men geeft dit symbolisch weer door een pijltje omhoog (spin op) of omlaag (spin neer).
Twee elektronen in hetzelfde orbitaal en met tegengestelde spin vormen een elektronenpaar of DOUBLET.
3.4. Elektronenconfiguratie
De elektronenverdeling in de verschillende schillen moet voldoen aan bepaalde regels.
3.4.1. Het Pauli-verbod
Per orbitaal is er maximaal één elektronendoublet.
3.4.2. De Hund-regel
In het laatste te bezetten subniveau zijn er zoveel mogelijk ongepaarde elektronen.
3.4.3. De regel van minimale energie
Telkens er een elektron wordt bijgevoegd bezet dit elektron het subniveau met de laagste energie
3.4.4. Als laatste hebben we ook nog enkele stabiliteitsregels:
Deze betreffen de elektronen van de buitenste orbitalen.
Deze elektronen streven naar configuraties met zo groot mogelijke stabiliteit.
Dit is de volgorde van stabiliteit:
1. edelgasconfiguratie
2. volledig bezet subniveau
3. halfbezet subniveau
De volgorde = 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ing. Sc. Frank Lakiere
2005-2010
1-4
Cursus Chemie
Voorbeelden:
Fluor heeft 9 elektronen:
in de eerste schil heb je de 1s orbitaal. Hierin gaan 2 elektronen (doublet).
In de tweede schil heb je een 2s orbitaal en drie 2p orbitalen (2px 2py en 2pz)
In 2s gaat weer een doublet, alsook in 2px en 2py. Het overblijvende elektron gaat in 2pz.
We noteren deze configuratie als:1s2 2s2 2p5
Koolstof heeft 6 elektronen:
in de eerste schil heb je de 1s orbitaal. Hierin gaan 2 elektronen (doublet).
In de tweede schil heb je een 2s orbitaal en drie 2p orbitalen (2px 2py en 2pz)
In 2s gaat weer een doublet.
Voor de 2p orbitalen blijven er nog 2 elektronen over. Volgens de regel van Hund moeten die nu ongepaard
de 2p bezetten, dus 1 elektron in 2px en in 2py.
We noteren deze configuratie als:1s2 2s2 2p2
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ing. Sc. Frank Lakiere
2005-2010
1-5
Cursus Chemie
4. HET PERIODIEK SYSTEEM
4.1. De perioden
In het periodiek systeem, ook wel de tabel van Mendeleev genoemd, worden de elementen gerangschikt in
een tabel volgens opklimmend atoomnummer.
Er wordt telkens een nieuwe rij begonnen als bij de elektronenconfiguratie een nieuwe schil wordt
begonnen.
Lithium heeft 3 elektronen. De configuratie is 1s2 2s1
De 2de schil heeft slechts 1 e- en dus begint Li een nieuwe rij.
Kalium heeft 19 e- met de configuratie: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1
De 4de schil heeft slechts 1 e- en dus begint K een nieuwe rij.
Deze horizontale groepen worden PERIODEN genoemd
4.2. De groepen
Elementen met een zelfde aantal valentie-elektronen vormen samen een GROEP.
Valentie-elektronen = het aantal elektronen op de laatste schil
Men onderscheidt HOOFDGROEPEN en NEVENGROEPEN.
4.2.1. Hoofdgroepen
Het nummer van de groep wordt aangegeven door het aantal valentie-elektronen.
Het laatst te plaatsen elektron in de configuratie behoort tot de buitenste schil.
De hoofdgroepen worden aangegeven met een Romeins cijfer (I tot VII en 0) met een index a.
Bv: Fluor heeft als configuratie: 1s2 2s22p5.
In de laatste schil zitten er 2 + 5 = 7 e- en dus behoort F dus tot groep VIIa.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ing. Sc. Frank Lakiere
2005-2010
1-6
Cursus Chemie
Zink heeft als configuratie 1s2 2s2 2p6 3s23p64s23d10
In de laatste schil (4s) zitten 2 e- dus behoort Zn tot de groep II.
Maar de 4s orbitaal heeft een lagere energie dan de 3d-orbitaal. Het laatst geplaatste e- behoort dus niet tot
de buitenste schil want dat is 4s.
Dus behoort Zn niet tot de hoofdgroep IIa maar tot de nevengroep IIb.
De 8 hoofdgroepen zijn:
1. Groep Ia : Akalimetalen (Li,Na,K,...)
2. Groep IIa : Aardakalimetalen (Be,Mg,Ca,...)
3. Groep IIIa: Boorgroep (B, Al,...)
4. Groep IVa : Koolstofgroep (C, Si,...)
5. Groep Va : Stikstofgroep (N, P,...)
6. Groep VIa : Zuurstofgroep (O, S,...)
7.Groep VIIa: Halogenen (F,Cl,Br,I,...)
8. Groep 0 : Edelgassen (He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn)
4.2.2. Nevengroepen
Het nummer van de groep wordt aangegeven door het aantal valentie-elektronen.
MAAR het laatst te plaatsen elektron in de configuratie behoort tot een d-orbitaal van de voorlaatste schil.
De hoofdgroepen worden aangegeven met een Romeins cijfer (I tot VII en 0) met een index b.
De nevengroepen bevatten elementen die ook wel de OVERGANGSelementen worden genoemd.
Bv:
Zink heeft als configuratie 1s2 2s2 2p6 3s23p64s2
3d10 In de laatste schil (4s) zitten 2 e- dus behoort Zn tot de groep II.
Maar de 4s orbitaal heeft een lagere energie dan de 3d-orbitaal. Het laatst geplaatste e- behoort dus niet tot
de buitenste schil want dat is 4s.
Dus behoort Zn niet tot de hoofdgroep IIa maar tot de nevengroep IIb.
Men kan het ook uitdrukken als volgt: de valentie-e- zitten in een orbitaal met lagere energie dan de laatst
geplaatste (hier 3d) elektronen.
Zn behoort dus tot een nevengroep en komt in groep IIb.
4.2.3. De lanthaniden en actiniden (f-blok)
De elementen met rangnummer 58 tot 73 worden in het vakje van Lanthaan (rangnr 57) geplaatst.
Daarom noemt men deze elementen de LANTHANIDEN
Evenzo worden in het vakje van Actinium (rangnr. 89) de elementen met atoomgetal 90 tot 103 samen
geplaatst. Daarom noemt men deze elementen de ACTINIDEN
De lanthaniden en de actiniden worden in een apart blok geplaatst onderaan de tabel.
Dit is het zgn. f-blok.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ing. Sc. Frank Lakiere
2005-2010
1-7